DE2643793A1 - PROCESS FOR GROWING MONOCRYSTALLINE EPITACTIC LAYERS FROM RARE EARTH IRON GARNET MATERIALS - Google Patents

PROCESS FOR GROWING MONOCRYSTALLINE EPITACTIC LAYERS FROM RARE EARTH IRON GARNET MATERIALS

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DE2643793A1 DE19762643793 DE2643793A DE2643793A1 DE 2643793 A1 DE2643793 A1 DE 2643793A1 DE 19762643793 DE19762643793 DE 19762643793 DE 2643793 A DE2643793 A DE 2643793A DE 2643793 A1 DE2643793 A1 DE 2643793A1
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Description

Verfahren zum Züchten monokristalliner epitaktischer Schichten aus Seltene Erde-Eisen-Granat-WerkstoffenMethod of growing monocrystalline epitaxial Layers of rare earth iron garnet materials

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines monokristallinen Seltene Erde-Eisen-Granat-Werkstoffs mit Wismut als Einkristall oder als monokristalline epitaktische Schicht durch Ablagerung aus einer Schmelze mit den zusammensetzenden Komponenten für den Granat-Werkstoff und einem Flußmittel, einen mit einem derartigen Verfahren gezüchteten Einkristall und ein Substrat, das eine mit einem derartigen Verfahren gezüchtete, monokristalline epitaktische Schicht trägt.The invention relates to a method for growing a monocrystalline rare earth iron garnet material with bismuth as a single crystal or as a monocrystalline epitaxial layer by deposition from a melt with the composing components for the garnet material and a flux, one a single crystal grown by such a method and a substrate containing one by such a method grown, monocrystalline epitaxial layer carries.

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In den letzten Jahren "besteht ein wachsendes Interesse in Einkristallen aus Eisen-Granat-Werkstoffen Seltener Erden und insbesondere in monokristallinen Dünnfilmen aus derartigen Granat-Werkstoffen. In dieser Beschreibung werden Elemente mit den Atomnummern 21, 39 und 57...71 als Seltene Erden betrachtet. Diese monokristallinen Dünnfilme werden beispielsweise in Magnetblasendomäneneinrichtungen, in integrierten optischen Schaltungen, die zum Weiterleiten und Bearbeiten informationstragender Lichtwellen dienen, und in Einrichtungen für thermomagnetisches Aufzeichnen und magnetooptisches Lesen von Informationen verwendet. Aus der USA-Patentschrift 3 697 320 ist bekannt, daß es zum Herstellen von Eisen-Granat-Einkristallen mehrere Techniken gibt. Es hat sich gezeigt, daß Verfahren zum Züchten epitaktischer Filme besonders geeignet sind zum Herstellen monokristalliner Schichten aus diesen Eisen-Granat-Werkstoffen. Bei diesen Verfahren ist es beispielsweise möglich, die Schichten durch Epitaxie aus der Flüssigkeitsphase, durch sogenannte "Flüssigkeitsphasenepitaxie" (LPE), zu züchten. Bei diesen Verfahren erfolgt die Züchtung in einer Eintaucheinrichtung, in der ein monokristallines Granat-Substrat mit einer Schmelze in Berührung gebracht wird, die eine geeignete Lösung aus Seltener Erde, Eisenoxiden und ggf. erforder-In recent years "there has been a growing interest in single crystals of iron-garnet materials of rare earths and especially in monocrystalline thin films from such garnet materials. In this description, elements with atomic numbers 21, 39 and 57 ... 71 considered rare earths. These monocrystalline thin films are used, for example, in magnetic bubble domain devices, in integrated optical circuits that are used to forward and process information-carrying light waves serve, and in devices for thermomagnetic recording and magneto-optical reading of information used. It is known from US Pat. No. 3,697,320 that it can be used to produce iron garnet single crystals several techniques out there. It has been found that processes for growing epitaxial films are particularly are suitable for producing monocrystalline layers from these iron-garnet materials. In these procedures it is possible, for example, to remove the layers by epitaxy from the liquid phase, by so-called "liquid phase epitaxy" (LPE) to breed. In these processes, the cultivation takes place in an immersion device, in which a monocrystalline garnet substrate is brought into contact with a melt that is suitable Solution of rare earth, iron oxides and possibly required

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lichen anderen Oxiden enthält. Die Substratkristalle werden üblicherweise aus einer im wesentlichen stöchiometrisehen Schmelze beispielsweise durch das Czochralsky-Verfahren gezüchtet. Eine häufig bei Verfahren zum epitaktischen Ablagern aus der Flüssigkeitsphase und bei anderen Flußmittelzüchtungsverfahren verwendete Lösung ist ein Flußmittel, das FbO enthält, möglicherweise unter Zusatz von PbFp und/oder B2O, zur Regelung der Auflösungsenergie, der Kristallisationsgeschwindigkeit und des Temperaturbereichs, in dem die Kristallisation durchgeführt wird. Ein bleihaltiges Flußmittel hat sich zum Anwachsen magnetooptisch aktiver Granatschichten besonders geeignet gezeigt, die zur Vergrösserung ihres magnetooptischen Effekts Wismut enthalten, da hierdurch eine niedrige Wachstumstemperatur ermöglicht wird, die zum Anwachsen genügenden Wismuts im Granatfilm notwendig ist. Je niedriger die Wachstumstemperatur, umso mehr Wismut wächst im Film an (siehe die deutsche Offenlegungsschrift 2 349 348).contains other oxides. The substrate crystals are usually grown from an essentially stoichiometric melt, for example by the Czochralsky process. A solution frequently used in processes for epitaxial deposition from the liquid phase and in other flux growing processes is a flux containing FbO, possibly with the addition of PbFp and / or B 2 O, to control the energy of dissolution, the rate of crystallization and the temperature range in which the Crystallization is carried out. A lead-containing flux has been shown to be particularly suitable for growing magneto-optically active garnet layers which contain bismuth to increase their magneto-optic effect, since this enables a low growth temperature which is necessary for sufficient bismuth to grow in the garnet film. The lower the growth temperature, the more bismuth grows in the film (see German Offenlegungsschrift 2,349,348).

Die Verwendung bleihaltiger Flußmittel hat jedoch den Nachteil, daß auch der angewachsene Film Blei enthält, das eine bedeutende optische Absorption verursacht. Jedoch werden Filme mit möglichst geringer optischer Absorption erfordert, namentlich fürHowever, the use of lead-containing fluxes has the disadvantage that the grown film is also lead which causes significant optical absorption. However, films with the lowest possible optical absorption requires, in particular for

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magnetooptische Anwendungen. Bleifreie Flußmittel wurden zur Herstellung derartiger Filme benutzt, aber die bisher bekannten Flußmittel (z.B. BaO-BaF2 - B2O3) haben gewöhnlich den Nachteil einer Kombination hoher Viskosität und hoher Oberflächenspannung bei der gewünschten Wachstumstemperatur. Hierdurch wird eine saubere Trennung des Films von Flußmittel verhindert, wenn das die epitaktische Granatschicht tragende Substrat am Ende des Wachstums aus der Schmelze entfernt wird, wodurch Unregelmäßigkeiten in der Filmoberfläche auftreten. Auch eine hohe Viskosität kann Unregelmäßigkeiten in der Schmelze und dadurch im Aufbau des angewachsenen Filmes verursachen. Wenn eine solche Wachstumstemperatur gewählt wird, daß die Flußmittelviskosität niedrig genug ist, um nützlich zu sein, wird gefunden, daß wenig oder kein Wismut im Film vorhanden ist.magneto-optical applications. Lead-free fluxes have been used to produce such films, but the previously known fluxes (eg BaO-BaF 2 - B 2 O 3 ) usually have the disadvantage of a combination of high viscosity and high surface tension at the desired growth temperature. This prevents a clean separation of the film from the flux when the substrate carrying the epitaxial garnet layer is removed from the melt at the end of the growth, as a result of which irregularities occur in the film surface. A high viscosity can also cause irregularities in the melt and thus in the build-up of the grown film. If a growth temperature is chosen such that the flux viscosity is low enough to be useful, it is found that little or no bismuth is present in the film.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bleifreien Flußmittelaufbau zu schaffen, der die Aufnahme einer grossen Wismutmenge in dem anzuwachsenden Kristall oder Film ermöglicht und bei der Wachstumstemperatur eine entsprechend niedrige Oberflächenspannung aufweist.The invention is based on the object of providing a lead-free flux structure that can accommodate a large Amount of bismuth in the crystal or film to be grown enables and a correspondingly at the growth temperature has low surface tension.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jetzt dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel eine Mischung von Bi2O-, und Me2O (worin Me zumindest ein Element ist, das aus der GruppeThe method according to the invention is now characterized in that the flux is a mixture of Bi 2 O and Me 2 O (where Me is at least one element from the group

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ausgewählt ist, die aus Li, Na, K, Rb und Cs besteht) und eine eutektische Zusammensetzung mit einer eutektischen Temperatur unter dem Schmelzpunkt von reinem BipO, bildet. Im Rahmen dieser Erfindung bestehen die erwähnten Kombinationen aus Flußmitteln mit einer niedrigen Oberflächenspannung (beispielsweise eine Oberflächenspannung unter 180 Dyn/cnT ) zum Anwachsen einwandfreier Eisen-Granat-Einkristalle Seltener Erde mit Wismut in einem Teil der Gitterstellen der Seltenen Erde,consisting of Li, Na, K, Rb and Cs) and a eutectic composition with a eutectic Temperature below the melting point of pure BipO. In the context of this invention exist mentioned combinations of fluxes with a low surface tension (e.g. a Surface tension below 180 Dyn / cnT) to grow flawless iron-garnet single crystals of rare earths with bismuth in part of the lattice sites of the rare earths Earth,

Obgleich die erwähnten Flußmittel im allgemeinen für Flußmittelzüchtungsverfahren vorteilhaft sind, beispielsweise die in der USA-Patentschrift 3 697 320 beschriebenen Verfahren, eignen sie sich insbesondere für Wachstum durch Epitaxie aus der flüssigen Phase.Although the mentioned fluxes are generally beneficial for flux growing processes, for example the methods described in US Pat. No. 3,697,320, they are particularly suitable for growth by epitaxy from the liquid phase.

Die Erfindung bezieht sich daher insbesondere auf ein Verfahren, bei dem eine monokristalline Eisen-Granat-Schicht der Seltenen Erde Wismut aus einer Schmelze der oben beschriebenen Zusammensetzung durch Epitaxy aus der flüssigen Phase auf einer Kristallfläche angewachsen wird, welche Schicht die kristallographische Orientierung der erwähnten Kristallfläche zeigt, indem die Kristallfläche mit der Schmelze in Berührung gebracht und Kristallisierung einer Schicht der Schichtzusammensetzung auf der Kristallfläche bewirkt wird.The invention therefore relates in particular to a method in which a monocrystalline iron-garnet layer the rare earth bismuth from a melt of the composition described above through epitaxy from the liquid phase on a crystal surface is grown, which layer is the crystallographic Orientation of the mentioned crystal face shows by bringing the crystal face into contact with the melt and causing a layer of the layer composition to crystallize on the crystal face.

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Im Rahmen der Erfindung können Flußmittelzusammensetzungen so gewählt werden, daß Wachstum bei Temperaturen von 6OO...9OO°C möglich ist.In the context of the invention, flux compositions can be chosen so that growth at temperatures from 6OO ... 9OO ° C is possible.

Es wurde gefunden, daß die Viskosität der Flußmittelmischung bei der Wachstumstemperatur nicht mehr als 16 Centipoise beträgt. (Die Viskosität von reinem BipO,,dessen Verwendung als Flußmittel aus der niederländischen Patentanmeldung 7 115 765 bekannt ist, liegt nur bei Temperaturen über 900°C unter 16 Centipoise). In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Viskosität durch Zusatz des Oxids RO2 zur Mischung weiter verringert werden (worin R mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Si, Ge, Ti, Sn, Zr, Ce, Hf und Te besteht).The viscosity of the flux mixture has been found to be no more than 16 centipoise at the growth temperature. (The viscosity of pure BipO, the use of which as a flux is known from Dutch patent application 7 115 765, is only below 16 centipoise at temperatures above 900 ° C.). In one embodiment of the method according to the invention, the viscosity can be further reduced by adding the oxide RO 2 to the mixture (where R is at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, Ti, Sn, Zr, Ce, Hf and Te).

Ein weiterer Vorteil der Verwendung der erfindungsgemäßen Flußmittel ist, daß bei die damit angewachsenen Eisen-Granat-Schichten der Seltenen Erde Wismut eine wesentlich geringere magnetische Anisotropie als mit Hilfe von Bleiflußmitteln angewachsene Eisen-Granat-Schichten der Seltenen Erde Wismut aufweisen. Die Verwendung von Eisen-Granat-Schichten der Seltenen Erde Wismut mit niedriger magnetischer Anisotropie ist wichtig in Einrichtungen für thermomagnetische Aufzeichnung von Informationen.Another advantage of the use of the flux according to the invention is that the accrued with it Iron-garnet layers of the rare earth bismuth have a much lower magnetic anisotropy than with With the help of lead fluxes, iron-garnet layers of the rare earth bismuth have grown. The usage of iron-garnet layers of rare earth bismuth which is low in magnetic anisotropy important in thermomagnetic recording facilities of information.

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Als Beispiel wird die Erfindung nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figur und der Beispiele 1...4 näher erläutert. Beispiel A fällt nicht im Rahmen der Erfindung und ist nur vergleichshalber aufgenommen. Die Figur ist ein Durchschnitt durch einen Apparat zum Anwachsen einer monokristallinen Schicht durch Epitaxie aus der flüssigen Phase.As an example, the invention is illustrated below with reference to the figure and the examples shown in the drawing 1 ... 4 explained in more detail. Example A does not fall within the scope of the invention and is only for the sake of comparison recorded. The figure is a section through an apparatus for growing a monocrystalline Layer by epitaxy from the liquid phase.

Apparat und WachstumsverfahrenApparatus and method of growth

Der Apparat enthält einen Ofen mit einem Hauptkeramikrohr 1, dessen Länge 35 cm und dessen Innendurchmesser 6,5 cm beträgt. Der Ofen hat ein Dreizonen-Heizelement 1 und durch die Verwendung dreier variabler (nicht dargestellter) Ausgangstransformatoren ist es möglich, einen gewünschten vertikalen Temperaturgradient zu erhalten. Die Transformatoren werden mit einem einzigen Eurotherm-Regler (nicht dargestellt) mit Hilfe eines Thermosensorelements 3 nahe der mittleren Heizzone geregelt. Ein 100 ml Platintiegel 4 steht auf einem Aluminiumfuß 5, ist jedoch davon durch drei Schenkel 6, 6a und 6b getrennt, so daß unter dem Tiegel ein Luftraum vorhanden ist. Ein Platindraht 12, der an der Oberseite des Tiegels 4 festgeklemmt ist, erdet den Tiegel, um Störungen im Thermoelement 3 zu vermeiden. Die Lage des Tiegels im Ofen ist so, daß er sich etwas unter der Mitte der mittleren Heizzone befindet. ÜberThe apparatus contains an oven with a main ceramic tube 1, the length of which is 35 cm and the inner diameter of which is 6.5 cm. The oven has a three-zone heating element 1 and through the use of three variable output transformers (not shown) it is possible to obtain a desired vertical temperature gradient. The transformers are operated with a single Eurotherm controller (not shown) with the help of a thermosensor element 3 controlled near the middle heating zone. A 100 ml platinum crucible 4 stands on an aluminum base 5 but separated therefrom by three legs 6, 6a and 6b, so that there is an air space under the crucible is. A platinum wire 12, which is clamped to the top of the crucible 4, grounds the crucible, to avoid malfunctions in thermocouple 3. The position of the crucible in the furnace is such that it can hold something located under the middle of the central heating zone. Above

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dem Tiegel befinden sich zwei Platin-Prallplatten und 7a. Durch Variieren des Abstands zwischen diesen Prallplatten,der Äbgasentnahmegeschwindigkeit, der Größe des Luftraums unter dem Tiegel und durch entsprechendes Einstellen des vertikalen Temperaturgradients ist es möglich, die durch radiale Temperatur gradient e verursachten Konvektionsströme in einer Schmelze 8 auf Minimum zu bringen. Diese radialen Temperaturgradiente können durch den Gebrauch guter Isolation des Ofens reduziert werden. Der vertikale Temperaturgradient ist derat, daß die Oberseite des Tiegels abhängig von der Größe des Tiegels bis zu 10°C heißer als der Boden ist. Die Konvektion in der Schmelze 8 kann über ein Substrat von 20 mm Durchmesser geregelt werden.The crucible has two platinum baffles and 7a. By varying the distance between them Baffle plates, the exhaust gas removal speed, the size of the air space under the crucible and the corresponding Adjusting the vertical temperature gradient it is possible through radial temperature gradient e caused convection currents in to bring a melt 8 to a minimum. These radial temperature gradients can be achieved through use good insulation of the furnace. The vertical temperature gradient is that of the top of the crucible is up to 10 ° C hotter than the bottom, depending on the size of the crucible. The convection in the melt 8 can be regulated via a substrate with a diameter of 20 mm.

Eine Drehung des Substrates in der horizontalen Ebene während des Filmwachstums kann gewisse Vorteile haben. Der beschriebene Apparat kann auch für diese horizontale Technik benutzt werden.Rotating the substrate in the horizontal plane during film growth can have certain advantages to have. The apparatus described can also be used for this horizontal technique.

Ein vorteilhaftes Verfahren zum Anwachsen einer epitaktischen Schicht ist wie folgt. Die Schmelzzusammensetzung wird zunächst auf einer Temperatur ungefähr 500C über der Temperatur, bei der der Granatkristall nicht mehr anwächst, homogenisiert. Der Homogenisierungsprozeß kann durch Verwendung eines (nicht dargestellt) Platinrührers beschleunigt werden,An advantageous method for growing an epitaxial layer is as follows. The melt composition is first homogenized at a temperature approximately 50 ° C. above the temperature at which the garnet crystal no longer grows. The homogenization process can be accelerated by using a platinum stirrer (not shown),

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der an der Stelle eines Substrathalters 9 "befestigt und üblicherweise ungefähr eine Stunde in der Schmelze 8 gedreht wird. Die Drehgeschwindigkeit des Rührers wird durch eine elektronische Anlage geregelt, die eine Drehung in einer Richtung "bis zu 600 U./min ermöglicht, oder beschleunigte Drehung und Umkehrung wird von einem Funktionsgenerator geregelt.which is fastened in place of a substrate holder 9 ″ and is usually rotated in the melt 8 for about an hour. The speed of rotation of the stirrer is controlled by an electronic system that allows rotation in one direction "up to 600 rpm, or accelerated rotation and reversal is controlled by a function generator.

Beim Ablaufen des Homogenisierens wird der Platinrühr er aus der Schmelze entfernt und die Ofentemperatur auf die für Filmwachstum erforderliche Temperatur gesenkt. Es kann eine halbe Stunde dauern, bevor der Ofen diese Temperatur erreicht hat, so daß sich die Schmelze 8 im Gleichgewichtszustand befinden kann. Ein Substrat 10, das zuvor gereinigt wurde (unter Verwendung von Ultraschallreinrichtungen mit organischen Reinigungsmitteln), wird in eine Probenklemme 11 gebracht, die selbst wieder mit einer Senkvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist.The platinum stirrer is used as the homogenization is in progress he removed from the melt and the furnace temperature to the temperature required for film growth lowered. It can take half an hour for the oven to reach this temperature, like this that the melt 8 can be in a state of equilibrium. A substrate 10 that has been cleaned beforehand (using ultrasonic cleaners with organic detergents) is turned into a Brought sample clamp 11, which itself again connected to a lowering device (not shown) is.

Das Substrat 10 wird mit einer Geschwindigkeit von 40 mm/min in den Ofen gesenkt, bis sich das Substrat direkt über der Oberfläche der Schmelze 8 befindet. Das Substrat wird in dieser Lage eine bis fünf Minuten festgehalten,so daß es die Temperatur der Schmelze 8 annimmt. Am Ende dieses Zeitraums wird das Substrat 10 in die Schmelze 8 gesenkt und ziemlich schnell gedreht, so daß es keinen wesentlichen Unterschied zwi-The substrate 10 is lowered into the oven at a rate of 40 mm / min until the substrate is located directly above the surface of the melt 8. The substrate is left in this position for one to five minutes held so that it assumes the temperature of the melt 8. At the end of this period the substrate becomes 10 lowered into the melt 8 and rotated fairly quickly, so that there is no significant difference between

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sehen den Eintauchzeiten der oberen und unteren Teile des Substrats gibt, wenn das Substrat in der vertikalen Ebene angeordnet ist.see the immersion times of the upper and lower parts of the substrate when the substrate is arranged in the vertical plane.

Wenn sich der Substrathalter 9 in der gewünschten Stellung befindet, wird die Senkvorrichtung gestoppt und die Drehung des Substrathalters 9 wird nötigenfalls fortgesetzt.When the substrate holder 9 is in the desired position, the lowering device is stopped and the rotation of the substrate holder 9 is continued if necessary.

Wenn die Ablagerungszeit beendet ist, wird das überzogene Substrat 10 aus der Schmelze entfernt. Die Geschwindigkeit beim Entfernen des überzogenen Substrats 10 in die kühleren Teile des Ofens beträgt 40 mm/min, bis sich das Substrat 10 außerhalb des Ofens befindet und aus dem Apparat entfernt werden kann.When the deposition time is over, the coated substrate 10 is removed from the melt. The speed when removing the coated substrate 10 into the cooler parts of the furnace is 40 mm / min, until the substrate 10 is outside the oven and can be removed from the apparatus.

Beispiel AExample A.

Eine 3,17/um dicke Schicht aus (BiY^(FeAl)1-O12 wurde in fünf Minuten an beiden Seiten eines Substrats von Gd^Ga1-O1P durch ein Eintauchverfahren angewachsen, für das der oben an Hand der Figur beschriebene Apparat verwendet wurde. Es wurde eine Schmelze hergestellt, bestehend ausA 3.17 µm thick layer of (BiY ^ (FeAl) 1 -O 12 was grown in five minutes on both sides of a substrate of Gd ^ Ga 1 -O 1 P by an immersion process, for which the above with reference to the figure A melt was prepared consisting of

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709819/061 5709819/061 5

111.22111.22 gG Bi2O3 Bi 2 O 3 265.75265.75 gG PbOPbO 0.860.86 gG Y2O3 Y 2 O 3 20.8320.83 gG Fe2O3 Fe 2 O 3 0.8430.843 gG Al2OAl 2 O

15.13 (MoI. 56) 75.80 0.24 8.30 0.5315.13 (MoI. 56) 75.80 0.24 8.30 0.53

Die Temperatur, bei der die Schicht angewachsen -wurde, betrug etwa 8020C. Das Substrat wurde gedreht. Die auf diese Weise erhaltene Schicht war epitaktisch, monokristallin, glatt, von gleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke und fehlerfrei.The temperature at which the layer -was was grown, approximately 802 0 C. The substrate was rotated. The layer obtained in this way was epitaxial, monocrystalline, smooth, of uniform composition and thickness, and free of defects.

Beispiel 1example 1

Eine 2,33/um dicke Schicht aus (BiYb)3(FeGa)5O12 wurde in zehn Minuten an beiden Seiten eines Substrats von Gd^Ga5O12 durch ein Eintauchverfahren angewachsen, für das der oben an Hand der Figur beschriebene Apparat verwendet wurde. Es wurde eine Schmelze hergestellt, bestehend ausA 2.33 / µm thick layer of (BiYb) 3 (FeGa) 5 O 12 was grown in ten minutes on both sides of a substrate of Gd ^ Ga 5 O 12 by an immersion process using the apparatus described above with reference to the figure was used. A melt was produced consisting of

349.47 g Bi2O3 73.43 (Mol.56)349.47 g Bi 2 O 3 73.43 (Mol.56)

20.51 g K2CO3 14.5920.51 g K 2 CO 3 14.59

3.63 g Yb2O3 0.913.63 g Yb 2 O 3 0.91

14.995 g Fe2O3 9.2314,995 g Fe 2 O 3 9.23

3.5 g Ga2O3 1.843.5 g Ga 2 O 3 1.84

Das Substrat wurde nicht gedreht. Die Temperatur, bei der die Schicht angewachsen wurde, betrug ungefähr 7020C. Die auf diese Weise erhaltene Schicht war epitaktisch, monokristallin, glatt, von gleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke und fehlerfrei.The substrate was not rotated. The temperature at which the layer was grown was approximately 702 ° C. The layer obtained in this way was epitaxial, monocrystalline, smooth, of uniform composition and thickness, and free of defects.

PHB 32 521 7 0 9 8 19/0615PHB 32 521 7 0 9 8 19/0615

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Beispiel 2Example 2

Eine 3,12/um dicke Schicht aus (BiYb)3(FeGa)5O12 wurde in zehn Minuten an beiden Seiten eines Substrats von Gd^Ga1-O1P durch ein Eintauchverfahr en angewachsen, für das der oben an Hand der Figur beschriebene Apparat verwendet wurde. Es wurde eine Schmelze hergestellt, bestehend ausA 3.12 / µm thick layer of (BiYb) 3 (FeGa) 5 O 12 was grown in ten minutes on both sides of a substrate of Gd ^ Ga 1 -O 1 P by an immersion process, for which the above with reference to the The apparatus described in the figure was used. A melt was produced consisting of

349.47 g Bi2O3 73.31 (Mol. J6)349.47 g Bi 2 O 3 73.31 (Mol. J6)

20.51 g K2CO3 14.5720.51 g K 2 CO 3 14.57

0.1 g SiO2 0.170.1 g SiO 2 0.17

3.63 g Yb2O3 0.903.63 g Yb 2 O 3 0.90

14.995 g Fe2O3 9.2214,995 g Fe 2 O 3 9.22

3.5 g Ga2O3 1.833.5 g Ga 2 O 3 1.83

Die Temperatur,bei der die Schicht angewachsen wurde, betrug ungefähr 6960C. Das Substrat wurde nicht gedreht. Die auf diese Weise erhaltene Schicht war epitaktisch, monokristallin, glatt, von gleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke und fehlerfrei.The temperature at which the layer was grown was approximately 696 0 C. The substrate was not rotated. The layer obtained in this way was epitaxial, monocrystalline, smooth, of uniform composition and thickness, and free of defects.

Beispiel 3Example 3

Eine 3»12/um dicke Schicht aus (BiY)3(FeGa)5O12 wurde in 30 Minuten an beiden Seiten eines Substrats von Gd^GaO12 durch ein Eintauchverfahren angewachsen, für das der oben an Hand der Figur beschriebene Apparat verwendet wurde. Es wurde eine Schmelze hergestellt, bestehend ausA 3 »12 / µm thick layer of (BiY) 3 (FeGa) 5 O 12 was grown in 30 minutes on both sides of a substrate of Gd ^ GaO 12 by an immersion process using the apparatus described above with reference to the figure . A melt was produced consisting of

PHB 32 521 - 13 -PHB 32 521 - 13 -

709819/061B 709819/061 B

349.47349.47 gG Bi2O3 Bi 2 O 3 75.29 (MoI. %) 75.29 (MoI. %) 20.5120.51 gG K2CO3 K 2 CO 3 14.9614.96 2.072.07 gG Y2°3 Y 2 ° 3 0.930.93 10.99510,995 gG Fe2O3 Fe 2 O 3 6.946.94 3.53.5 gG CJa0U-JCYes 0 UJ 1.881.88

Das Substrat -wurde nichtgedreht. Die Temperatur, bei der die Schicht angewachsen wurde, betrug etwa 816°C. Die auf diese Weise erhaltene Schicht war epitaktisch, monokristallin, glatt, von gleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke und fehlerfrei.The substrate was not rotated. The temperature at at which the layer was grown was about 816 ° C. The layer obtained in this way was epitaxial, monocrystalline, smooth, of uniform composition and thickness and flawless.

Beispiel 4Example 4

Eine 6,8/um dicke Schicht aus (BiGd)3(FeAlGa)5O12 wurde in 20 Minuten an beiden Seiten eines Substrats von (GdCa)3(GaZr)1-O12 durch ein Eintauchverfahren angewachsen, für das der oben an Hand der Figur beschriebene Apparat verwendet wurde. Es wurde eine Schmelze hergestellt, bestehend ausA 6.8 / µm thick layer of (BiGd) 3 (FeAlGa) 5 O 12 was grown in 20 minutes on both sides of a substrate of (GdCa) 3 (GaZr) 1 -O 12 by an immersion method as described above Hand of the figure described apparatus was used. A melt was produced consisting of

909.94909.94 gG Bi2°3 Bi 2 ° 3 76.74 (Mol.96)76.74 (Mol.96) 2.352.35 gG SiO2 SiO 2 1.541.54 23.6623.66 gG Na0CO,Na 0 CO, 5.105.10 15.5715.57 gG Gd2O3 Gd 2 O 3 1.691.69 45.6845.68 gG Fe2O3 Fe 2 O 3 11.2911.29 16.4016.40 gG Ga2O3 Ga 2 O 3 3.453.45 0.50.5 gG Al2OAl 2 O 0.190.19

Die Temperatur, bei der die Schicht angewachsen wurde, betrug ungefähr 870°C. Das Substrat wurde nicht gedreht.The temperature at which the layer was grown was approximately 870 ° C. The substrate was not rotated.

PHB 32 521 709813/0615 - 14 -PHB 32 521 709813/0615 - 14 -

Die auf diese Weise erhaltene Schicht war epitaktisch, monokristallin, glatt, von gleichmäßiger Zusammensetzung und Dicke und fehlerfrei.The layer obtained in this way was epitaxial, monocrystalline, smooth, of uniform composition and thickness and free from defects.

Die optischen Absorptionskoeffizienten ot bei Bestrahlung der in den Beispielen A, 1 und 2 erzeugten Schichten mit Licht mit einer Wellenlänge von 5600 ä , 6000 % bzw. 6325 wurden gemessen. Die gefundenen Werte sind in Tabelle angegeben.The optical absorption coefficients ot when the layers produced in Examples A, 1 and 2 were irradiated with light having a wavelength of 5600 Å, 6000 % and 6325, respectively, were measured. The values found are given in the table.

TABELLETABEL 11 CX(CnT1)
Beispiel 1
CX (CnT 1 )
example 1
Oi(CnT1)
Beispiel 2
Oi (CnT 1 )
Example 2
1762
1310
1094
1762
1310
1094
1465
1074
860
1465
1074
860
la)la) O< (cm"1)
Beispiel A
O <(cm " 1 )
Example A.
5600
6000
6325
5600
6000
6325
2700
2000
1600
2700
2000
1600

Es wurde das Anisotropiefeld K_ der in den Beispielen A, 3 und 4 erzeugten Filme gemessen. Die gefundenen Werte, ausgedrückt in Erg.ecm, sind in nachstehender Tabelle angegeben.It became the anisotropy field K_ that in the examples A, 3 and 4 produced films were measured. The values found, expressed in Erg.ecm, are in the following Given in the table.

PHB 32 521PHB 32 521

- 15 -- 15 -

709819/0815709819/0815

- 15 -- 15 -

VV Beispiel AExample A. Beispiel 3Example 3 2643793
Beispiel 4
2643793
Example 4
> 104 > 10 4 9.6 χ 103 9.6 χ 10 3 6 χ 103 6 χ 10 3

Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.All measurements were carried out at room temperature.

Für weitere Einzelheiten bezüglich des Systems 2^2 wird auf die Phasendiagramme verwiesen, die E.M. Levin und R.S. Roth in "J. Research Natl. Bur. Standards, 68A (2) 198 (1964)" veröffentlichten.For further details regarding the system 2 ^ 2 , reference is made to the phase diagrams published by EM Levin and RS Roth in "J. Research Natl. Bur. Standards, 68A (2) 198 (1964)".

Abhängig von der zugesetzten Menge zeigt es sich, daß Zugaben von Me2O (Me = Li, Na, K, Rb oder Cs) in Bi2O, die Oberflächenspannung und den Schmelzpunkt der Mischung herabsetzen. (In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es allgemein üblich ist, Alkalimetalloxide in Form von Alkalimetallkarbonaten zuzusetzen, die sich nach Erhitzung in Alkalimetalloxide verwandeln.) es wurden eine Anzahl von Oberflächenspannungs- und Schmelzpunktmessungen sowohl mit solchen Mischungen als auch mit BipO^-ROp-MepO-Mischungen durchgeführt und die daraus gewomenen Daten sind in der Tabelle 3 angegeben. Vergleichshalber sind auch Werte für ein reines ΒίρΟ,-Flußmittel gemessen wordaa .Depending on the amount added, it is found that additions of Me 2 O (Me = Li, Na, K, Rb or Cs) in Bi 2 O lower the surface tension and the melting point of the mixture. (In this connection it should be noted that it is common practice to add alkali metal oxides in the form of alkali metal carbonates, which convert to alkali metal oxides upon heating.) A number of surface tension and melting point measurements have been made with both such mixtures and with BipO ^ -ROp- MepO mixtures carried out and the data obtained therefrom are given in Table 3. For the sake of comparison, values for a pure ΒίρΟ, flux have also been measured.

PHB 32 521PHB 32 521

-16--16-

7098 19 /08 1 57098 08/19/15

TABELLE 3TABLE 3

FlußmittelFlux Zusätzliches
Gewicht in %
Additional
Weight in %
bei 8500C
Dyn/cm"''
at 850 ° C
Dyn / cm "''
k% Li2O
4% Na2O
4Ji Rb0O
4% Cs2O
k% Li 2 O
4% Na 2 O
4Ji Rb 0 O
4% Cs 2 O
171
157
152
168
169
171
157
152
168
169
Schmelzpunkt
in 0C
Melting point
in 0 C
B12O3 B 12 O 3 j 213j 213 VA K0O
2% K2O
4% K2O
6% K2O
VA K 0 O
2% K 2 O
4% K 2 O
6% K 2 O
175
164
151
141
175
164
151
141
830830
Il
Il
Il
Il
Il
Il
Il
Il
Il
Il
4% K0O
k% K2O
4J6 K2O
k% K2O
4% K 0 O
k% K 2 O
4J6 K 2 O
k% K 2 O
166
155
162
156
166
155
162
156
620-640
600-625
670-680
730-755
730-755
620-640
600-625
670-680
730-755
730-755
Il
Il
Il
Il
Il
Il
ItQjL /"* ^- f*^ ItQjL / "* ^ - f * ^
«-J-TQ ^^ J^ ^- ^11/«-J-TQ ^^ J ^ ^ - ^ 11 /
166
155
166
155
< 725
660-675
655-670
< 725
660-675
655-670
Bi20,/Si02
BipO^/GeOp
Bi 2 0, / Si0 2
BipO ^ / GeOp
670
700
700
710
670
700
700
710
Bi o0_/Ce0o
Il
Bi o 0_ / Ce0 o
Il
620-640
720-740
620-640
720-740

PHB 32 521PHB 32 521

- 17 -- 17 -

7 0 9 8 19/06157 0 9 8 19/0615

Anmerkung; Für Flußmittel vom Typ Bi203/M02 in der Tabelle 3 ist das molare Verhältnis von Bi2O3 : MO2 98:2 . Note ; MO 2 98: 2 for flux-type Bi 2 0 3 / M0 2 in Table 3, the molar ratio of Bi 2 O 3.

Oberflächenspannungen sind nur für 8500C angegeben, da der Temperaturkoeffizient der Oberflächenspannung für alle studierten Systeme klein ist. Kennzeichnend ist, daß ein Anstieg in der Oberflächenspannung um % für jeweils 1000C Temperaturabfall gefunden wurde.Surface tensions are only given for 850 ° C., since the temperature coefficient of surface tension is small for all systems studied. It is characteristic that an increase in the surface tension by% was found for every 100 ° C. temperature drop.

Es ist klar, daß der Zusatz von Alkalimetalloxiden zwei wesentliche Vorteile bietet gibt es eine ausgeprägte Reduzierung der Oberflächenspannung sowohl für das Bi2O als auch für das Bio0,-R0o-Flußmittel. Auf Gewichtsprozentbasis ergibt K2O die maximale Reduzierung der Oberflächenspannung. Wie in den Beispielen 1.-..4 beschrieben, sind Granatfilme erfolgreich sowohl aus den Bi2O3-Me2O- als auch/den Bi203-R02-Me20-Flußmitteln angewachsen, was bedeutet, daß der Me20-Zusatz die Flußmitteladhäsion zur Filmoberfläche wirklich reduziert. Zweitens gibt es eine wesentliche Reduktion in den Filmanwachstumstemperatirenifre angelegt werden können. Da der Granatfilmaufbau von der Wachstumstemperatur abhängig ist, ermöglicht die Erweiterung des Wachstumstemperaturbereichs eine größere Wahl in den anzuwachsenden Filmzusammensetzungen. Insbesondere erlaubt der Na20-Zusatz Filmwachstumstemperaturen ^2000C niedriger als der Schmelzpunkt der Bi2O3-Flußmittel.It is clear that the addition of alkali metal oxides provides two major benefits, there is a strong reduction of surface tension for both the Bi 2 O as well as for the Bi o 0, o -R0 -Flußmittel. On a weight percent basis, K 2 O gives the maximum reduction in surface tension. As described in Examples 1 .- .. 4, garnet films have successfully grown from both the Bi 2 O 3 -Me 2 O- and / the Bi 2 0 3 -R0 2 -Me 2 O fluxes, which means that the addition of Me 2 O actually reduced the flux adhesion to the film surface. Second, there is a substantial reduction in the film growth temperatures that can be freely applied. Since the garnet film build-up is dependent on the growth temperature, the expansion of the growth temperature range enables a greater choice in the film compositions to be grown. In particular, the addition of Na 2 O allows film growth temperatures ^ 200 0 C lower than the melting point of the Bi 2 O 3 flux.

PHB 32 521 - 18 -PHB 32 521 - 18 -

709819/0615709819/0615

Vorzugsweise besteht von 1...6 % des Gewichts der Flußmittelmischung aus Me2O. Wenn das Flußmittel bedeutend weniger als 1 % des Gewichts an Me2O enthält, gibt es keine wesentliche Reduktion im Schmelzpunkt oder in der Oberflächenspannung des Flußmittels in bezug auf ein ähnliches Flußmittel ohne Me2O. Ebenso wird die Reduktion des Schmelzpunktes oder der Oberflächenspannung unvorteilhaft klein, wenn das Flußmittel mehr als 6 % des Gewichts an Me2O enthält.Preferably from 1 to 6 % by weight of the flux mixture consists of Me 2 O. When the flux contains significantly less than 1 % by weight of Me 2 O, there is no substantial reduction in the melting point or in the surface tension of the flux with respect to a similar flux without Me 2 O. Likewise, if the flux contains more than 6% by weight of Me 2 O, the reduction in melting point or surface tension becomes disadvantageously small.

Mit den nötigen Abänderungen gilt gleiches für den ROp-Zusatz. Vorzugsweise bildet ROp von 1...10 % des Gewichts der Flußmittelmischung. Wenn das Flußmittel bedeutend weniger als 1 % des Gewichts an ROp enthält, gibt es keine wesentliche Reduktion in der Viskosität des Flußmittels in bezug auf ein ähnliches Flußmittel ohne RO2- Enthält das Flußmittel mehr als 10 % des Gewichts an RO2, wird das gewünschte Ergebnis nicht erreicht.With the necessary changes, the same applies to the ROp addition. Preferably, ROp constitutes from 1 to 10 % of the weight of the flux mixture. If the flux contains significantly less than 1 % by weight of ROp, there is no substantial reduction in the viscosity of the flux relative to a similar flux without RO 2 - if the flux contains more than 10 % by weight of RO 2 , the desired one will be Result not achieved.

Substrate, die beispielsweise aus einem monokristallinen Granat bestehen und einen monokristallinen epitaktischen Eisen-Granat der Seltenen Erde Wismut tragen, der durch das erfindungsgemäße Verfahren an-Substrates, which for example consist of a monocrystalline garnet and a monocrystalline epitaxial Bear iron garnet of the rare earth bismuth, which is an-

PHB 32 521 - 19 -PHB 32 521 - 19 -

709819/0615709819/0615

w-w-

gewachsen ist, können "beispielsweise in einer thermomagnetischen Einrichtung gemäß der Beschreibung von J.P-. Krumme et al in Appl.Phys.Letts. 20, 451 (1972), oder in einer magnetooptischen Einrichtung, oder in einer magnetooptischen Blasendomänen-Einrichtung (vgl. den Artikel von G.S. Alami in I.E.E. Trans. Mag. MAG-7, 370 (1971)), oder in einer Magnetblasendomäneneinrichtung ναι den Typen, genannt von A.H. Bobeck, R.F. Fischer und J.L. Smith in AIP Conference Proc. No. 5, 45 (1971) verwendet werden.has grown can "for example in a thermomagnetic Device as described by J.P-. Krumme et al in Appl. Phys. Letts. 20, 451 (1972), or in a magneto-optic device, or in a magneto-optic bubble domain device (See the article by G.S. Alami in I.E.E. Trans. Mag. MAG-7, 370 (1971)), or in a magnetic bubble domain device ναι the type named by A.H. Bobeck, R.F. Fischer and J.L. Smith in AIP Conference Proc. No. 5, 45 (1971) can be used.

PHB 32 521 Patentansprüche; PHB 32,521 claims;

- 20 -- 20 -

70987098

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Claims (9)

Patentansprüche;Claims; / 1.j Verfahren zum Züchten eines monokristallinen Seltenen Erde-Eisengranats mit Wismut, als eines Einkristalls oder als einer monokristallinen epitaktischen Schicht, durch Ablagerung aus einer Schmelze, die die zusammensetzenden Komponenten für den Granatwerkstoff sowie ein Flußmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel eine Mischung von Bi2O, und Me2O (worin Me zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Li, Na, K, Rb und Cs besteht) und eine eutektische Zusammensetzung mit einer eutektisehen Temperatur unter dem Schmelzpunkt von reinem Bi2O, bildet./ 1. j method for growing a monocrystalline rare earth iron garnet with bismuth, as a single crystal or as a monocrystalline epitaxial layer, by deposition from a melt which contains the composing components for the garnet material and a flux, characterized in that the flux a mixture of Bi 2 O, and Me 2 O (wherein Me is at least one element selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb and Cs) and a eutectic composition having a eutectic temperature below the melting point of pure Bi 2 O. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Flußmittel das Oxid ROp enthält, worin R zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Si, Ge, Ti, Sn, Ze, Ce, Hf und Te.2. The method according to claim 1, characterized in that the flux additionally contains the oxide ROp, wherein R is at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, Ti, Sn, Ze, Ce, Hf and Te. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis von Bi2O,:RO2:Me2O ist 100 : χ : £, worin χ so ist, daß die Mischung eine Viskosität von mehr als 16 Centipoise hat, und y so ist, daß die Mischung eine Oberflächenspannung unter 180 Dyn/cm~ bei der Wachstumstemperatur hat. 3. The method according to claim 2, characterized in that the molar ratio of Bi 2 O,: RO 2 : Me 2 O is 100: χ: £, where χ is such that the mixture has a viscosity of more than 16 centipoise, and y is such that the mixture has a surface tension below 180 dynes / cm -2 at the growth temperature. 4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß RO2 von 1...10 % des Gewichts der Mischung bildet.4. The method according to claim 3> characterized in that RO 2 forms from 1 ... 10 % of the weight of the mixture. PHB 32 521 - 21 -PHB 32 521 - 21 - 709819/0615709819/0615 5· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ΜβρΟ von 1... 6 % des Gewichts der Flußmittelmischung bildet.5. The method according to claim 3, characterized in that ΜβρΟ forms from 1 ... 6 % of the weight of the flux mixture. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1...5, dadurch gekennzeichnet, daß eine monokristalline Eisen-Granat-Schicht der Seltenen Erde Wismut aus der Schmelze auf einer Kristallfläche eines monokristallinen Substrats durch Epitaxie aus der flüssigen Phase angewachsen wird, wobei die auf diese Weise erhaltene Schicht die kristallographische Orientierung der erwähnten Kristallfläche hat.6. The method according to any one of claims 1 ... 5, characterized in that a monocrystalline iron-garnet layer of the rare earth bismuth is grown from the melt on a crystal face of a monocrystalline substrate by epitaxy from the liquid phase, the on this The layer obtained in this manner has the crystallographic orientation of the crystal face mentioned. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachstumstemperatur zwischen 600 und 9000C liegt.7. The method according to claim 6, characterized in that the growth temperature is between 600 and 900 ° C. 8. Monokristallines Substrat, das eine monokristalline epitaktische Schicht aus einem Eisen-Granat der Seltenen Erde Wismut trägt, die durch das Verfahren nach Anspruch 1 angewachsen ist.8. Monocrystalline substrate, which is a monocrystalline epitaxial layer of an iron garnet of the rare Earth bears bismuth grown by the method of claim 1. 9. Einkristall eines Eisen-Granats der Seltenen Erde Wismut, der durch das Verfahren nach Anspruch 1 angewachsen ist.9. Single crystal of a rare earth iron garnet bismuth grown by the method of claim 1. PHB 32 521PHB 32 521 ^098 19/06^ 098 19/06
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